JP4623472B2

JP4623472B2 - 回転電動機

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Publication number: JP4623472B2
Application number: JP2007019346A
Authority: JP
Inventors: 良治水谷; 和高立松; 英治山田; 信行松井; 卓小坂
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-01-30
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2011-02-02
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Description

本発明は、回転電動機に関する。

従来から、ロータに永久磁石を配置した永久磁石型モータがさまざまの分野で利用されており、たとえば、電気自動車やハイブリット自動車の駆動源として利用されている。

このような電気自動車やハイブリット自動車の駆動源は、低回転−高出力、高回転−低出力という車両の走行特性が要求される。

モータは、一般にロータからステータに流れる磁束と、ステータ巻線に流れる電気子電流によって発生するトルクが決定される。

ステータとロータ間に流れる磁束は、用いられる磁石等によって決定され、回転速度とは関係なく一定に保たれる。そして、回転速度は、電気子電流によって決定される。しかし、電機子電流は、インバータ等の電源からの電圧によってきまるために、電機子巻線の電圧と電源電圧の最大電圧とが一致したときの回転数が最大回転数となる。

このような永久磁石型モータにおいて、電源電圧を一定として低出力運転を行う場合、上記最大回転数をさらに上昇させて走行特性を広げると共に、低回転数における出力を向上させるために、いわゆる「弱め界磁制御」、「強め界磁制御」が各種提案されている（下記特許文献１〜３および下記非特許文献１、２参照）。

たとえば、非特許文献１および非特許文献２には、多極永久磁石に粉末形成磁性体とトロイダル界磁コイルとを組み合わせたハイブリットモータが提案されている。

この非特許文献１および非特許文献２に記載されたハイブリットモータは、回転シャフトに間隔を隔てて固定された２つのロータコアと、このロータコア間に位置する回転シャフトに固定されたリング磁石と、トロイダル界磁コイルとを備えている。

各ロータコアの表面には、外方に向けて突出する複数のロータティースと、各ロータティース間に形成された凹部とが形成されている。

このハイブリットモータにおいては、リング磁石からの磁束がロータとステータとの間を流れることによりロータを回転させる磁束と、トロイダル界磁コイルに電流が供給されることにより生じる磁束とによってロータが回転する。
特開２００５−６５３８５号公報特開平６−３５１２０６号公報特開平７−３３６９８０号公報加納善明、小坂卓、松井信行：「簡易非線形磁気解析に基づく多極永久磁石機の構造最適化の一考察」電気学会論文誌Ｄ，Ｖｏｌ．１２３，Ｎｏ．３，ｐｐ．１９６−２０３（２００３）金哲国、小坂卓、松井信行：「新構造ハイブリットモータの性能検討」平成１７年電気学会全国大会講義論文集

しかし、上記非特許文献１および非特許文献２に記載されたハイブリットモータにおいては、トロイダル界磁コイルおよびリング磁石からの磁束では、ハイブリット自動車や電気自動車の駆動源として利用可能な程度にロータを高速回転させるために十分な磁束を発生させることが困難なものとなっていた。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、「弱め界磁制御」および「強め界磁制御」を行うことができると共に、ハイブリット自動車や電気自動車などの駆動源として利用可能な程度の高速回転を得ることができる回転電動機を提供することである。

本発明に係る回転電動機は、筒状に形成されたステータコアと、ステータコア内に配置され、回転可能に設けられた回転シャフトと、ステータコアの外周にステータコアの軸方向の一端から他端にわたって設けられ、ステータコアの軸方向に磁束を流すことが可能な界磁ヨークとを備えている。回転シャフトには、第１ロータコアと、第１ロータコアに対して回転シャフトの軸方向に間隔を隔てて設けられ、回転シャフトに固設された第２ロータコアとが設けられている。第１ロータコアと第２ロータコアとの間に位置する回転シャフトには、一対の磁極が、回転シャフトの軸方向に並べられた第１磁石が設けられている。第１ロータコアの外表面には、径方向外方に向けて突出する第１ロータティースと、第１ロータティースに対して第１ロータコアの周方向に隣り合う位置に設けられた第２磁石とが設けられている。第２ロータティースの外表面であって、第１ロータティースに対して第２ロータコアの周方向にずれ位置には、径方向外方に向けて突出する第２ロータティースと、第２ロータティースに対して第２ロータコアの周方向に隣り合う位置に設けられた第３磁石とが設けられている。そして、回転転動機は、第１磁気回路と第２磁気回路とを選択的に形成することで、第１ロータコアと第２ロータコアとの少なくとも一方とステータコアとの間の磁束密度を制御可能な第１および第２巻線を備える。第１磁気回路は、第１ロータコア内を軸方向に進み、界磁ヨークに達し、該界磁ヨーク内を通り、第２ロータコアの端部から該第２ロータコアを軸方向に進む磁気回路とされ、第２磁気回路は、第１ロータティースからエアギャップを通りステータコアに達する磁気回路、およびステータコアからエアギャップを通り第２ロータティースに達する界磁回路の少なくとも一方を含む磁気回路とされる。

好ましくは、第２磁石の外周面の極性を、第３磁石の外表面の極性と異ならせて配置する。好ましくは、第２磁石は、第１ロータコアの軸方向の一端部から他端部に亘って延在し、第３磁石は、第２ロータコアの軸方向の一端部から他端部に亘って延在する。好ましくは、第１ロータコアは、筒状の第１外側ロータコアと、該第１外側ロータコアの内周に設けられ、軸方向の磁気抵抗が第１外側ロータコアの軸方向の磁気抵抗より小さい第１内側ロータコアとを有し、第２ロータコアは、筒状の第２外側ロータコアと、該第２外側ロータコアの内周に設けられ、軸方向の磁気抵抗が第２外側ロータコアの軸方向の磁気抵抗より小さい第２内側ロータコアとを有する。好ましくは、第１内側ロータコアおよび第２内側ロータコアは、各々のロータコアの軸方向に一体の磁性材料を含み、第１外側ロータコアおよび第２外側ロータコアは、各々のロータコアの軸方向に複数の磁性鋼板を積層して形成される。

本発明に係る回転電動機によれば、回転シャフトに固定された第１磁石と、第１および第２ロータコアに設けられた第２および第３磁石からの磁力によって、第１、第２ロータを回転させることができる。そして、この回転電動機によれば、巻線に供給する電流を調整することで、第１ロータと第２ロータとの少なくとも一方とステータとの間に生じる磁束密度を増大させることで、所謂「強め界磁」を行うことができる。さらに、この回転電動機におよれば、巻線に供給する電流を調整することで、第１磁石から発せられる磁束の一部を、第１ロータまたは第２ロータの一方を通り、界磁ヨークを経由して、他方の第１または第２ロータを通る磁気回路を経由させることができ、第１ロータと第２ロータとの少なくとも一方と、ステータとの間に生じる磁束を減じ、所謂「弱め界磁制御」を行うことができる。

なお、本実施の形態においては、ハイブリット車両に搭載されるモータジュネレータ（回転電動機）にて適用した例について図を用いて説明するが、ハイブリット車両以外の各種車両（たとえば、燃料電池車両や電気車両を含む電動車両）や、産業機器、空調機器、環境機器などの様々な機器に搭載される回転電動機に対しても適用可能である。

また、本実施の形態において同一または相当する部分には同一の参照符号を付す。さらに、各構成要素は、全てが必須のものであるとは限らず、一部の構成要素を省略可能な場合がある。

図１は、本実施の形態に係る回転電動機１０の側断面図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。さらに、図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。

この図１に示されるように、回転電動機１０は、筒状に形成されたステータ３０と、このステータ３０の外周に設けられ、磁束を流すことが可能な界磁ヨーク２１と、ステータ３０内に配置され、回転可能に設けられた回転シャフト４１と、この回転シャフト４１の外表面に固設されたロータ７０と、界磁コイル（巻線）５０Ａ，５０Ｂとを備えている。

図２に示すように、ステータ３０は、筒状に形成され、内周面にステータティース２３が形成されたステータコア２２と、このステータティース２３に巻回された電機子巻線２４とを備えている。図１および図２に示すように、ロータ７０は、回転シャフト４１に固設された上側ロータ４３と、この上側ロータ４３に対して回転シャフト４１の軸方向に間隔を隔てて回転シャフト４１に固設された下側ロータ４４とを備えている。

上側ロータ４３は、回転シャフト４１に固設され、外周面に複数のロータティース４５が形成されたロータコア（第１ロータコア）７１と、ロータティース４５間に設けられた磁石４４Ａとを備えている。

ロータコア７１は、筒状の外側ロータコア４２ａと、この外側ロータコア４２ａの内周に配置され、回転シャフト４１に固設された内側ロータコア４２ｂとを備えている。

外側ロータコア４２ａは、軸方向に複数の磁性鋼板（磁性体）を積層して構成されており、外側ロータコア４２ａの積層鋼板間には、僅かなギャップがある。内側ロータコア４２ｂは、圧粉磁心により構成されている。このため、外側ロータコア４２ａの軸方向の磁気抵抗よりも、内側ロータコア４２ｂの軸方向の磁気抵抗の方が小さくなっている。

そして、ロータティース４５は、外側ロータコア４２ａの外表面上に、周方向に間隔を隔てて複数形成されている。このロータティース４５は、外側ロータコア４２ａの軸方向の一端から他端にわたって延在している。

磁石４４Ａは、ロータティース４５に対してロータコア７１の周方向に隣り合う位置に設けられており、ロータティース４５間に位置するロータコア７１の外表面を覆うように配置されている。

図３に示すように、下側ロータ４４は、回転シャフト４１に固設され、外周面に複数のロータティース４６を有するロータコア（第２ロータコア）７２と、ロータティース４６間に設けられた磁石４４Ｂとを備えている。

ロータコア７２は、筒状の外側ロータコア４２ｃと、この外側ロータコア４２ｃの内周に配置され、回転シャフト４１に固設された内側ロータコア４２ｄとを備えている。

外側ロータコア４２ｃは、軸方向に複数の磁性鋼板（磁性体）を積層して構成されており、外側ロータコア４２ｃの積層鋼板間には、僅かなギャップある。内側ロータコア４２ｄは、圧粉磁心により構成されている。このため、外側ロータコア４２ｃの軸方向の磁気抵抗よりも、内側ロータコア４２ｄの軸方向の磁気抵抗の方が小さくなっている。

そして、ロータティース４６は、外側ロータコア４２ｃの外表面上に、周方向に間隔を隔てて複数形成されている。このロータティース４６は、外側ロータコア４２ｃの軸方向の一端から他端にわたって延在している。

ロータティース４６は、図２に示すロータティース４５に対して、ロータコア７２の周方向にずれた位置に形成されている。すなわち、回転シャフト４１の軸方向から平面視すると、ステータティース４６は、ステータティース４５間に位置するように配置されている。

なお、本実施の形態においては、磁石４４Ａ、４４Ｂが、ロータコア７１の外表面に設けられ、ＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）とされているが、磁石４４Ａ、４４Ｂをロータコア７１内に収容して、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）としてもよい。

ここで、図２において、磁石４４Ａの外周の磁性はＳ磁極とされ、磁石４４Ａの内周側の磁性はＮ磁極とされている。すなわち、ロータコア７１の径方向内方側にＳ磁極が配置されており、径方向外方側にＳ磁極が配置されている。そして、図３に示すように、0磁石４４Ｂの外周の磁性はＮ磁極とされ、内周の磁性はＳ磁極とされている。すなわち、ロータコア７２の径方向内方にＳ磁極が配置され、径方向外方側にＮ磁極が配置されている。このように、磁石４４Ａの外周の磁性と、磁石４４Ｂの外周の磁性とが異なるように設けられている。

図４は、ロータ７０の斜視図であり、この図４に示されるように、磁石４４Ａに対して回転シャフト４１の軸方向には、ロータティース４６が位置しており、磁石４４Ｂに対して回転シャフト４１の軸方向には、ロータティース４５が位置している。

このように、磁石４４Ａと磁石４４Ｂとは、互いにロータコア７１、７２の周方向にずれるように配置されている。

図１において、界磁ヨーク２１は、ステータコア２２の軸方向の一端から他端にわたって設けられ、圧粉磁心（粉末成形磁性体（ＳＭＣ：Soft Magnetic Composites））から形成されている。このため、界磁ヨーク２１内においては、軸方向に磁束を流すことができると共に、軸方向と周方向と径方向の磁気抵抗が略均等となっている。

界磁ヨーク２１は、上側ロータ４３および下側ロータ４４に向けて突出する突出部５１を備えており、特に、突出部５１は、内側ロータコア４２ｂ、４２ｄに向けて突出している。上記界磁コイル５０Ａ，５０Ｂは、突出部５１に巻線が巻回されることで形成されている
図５は、図１のＶ−Ｖ線における断面図である。この図５および図１に示すように、ロータコア７１とロータコア７２との間に位置する回転シャフト４１の外表面に環状のリング磁石６０が固設されている。このリング磁石６０の一対の磁極は、回転シャフト４１の軸方向に並べられており、ロータコア７１側の端面側がＮ磁極とされており、ロータコア７１側の端面がＳ磁極とされている。

特に、リング磁石６０の軸方向の端面は、内側ロータコア４２ｂ、４２ｄと接触しており、リング磁石６０の外径は、外側ロータコア４２ａ、４２ｃの内径より小径とされている。

上記のように構成された回転電動機１０の各種動作について、図面を用いて説明する。図６は、本実施の形態について、所謂「強め界磁制御」、「弱め界磁制御」のいずれも行わないときにおける回転電動機１０の側断面図である。また、図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線における断面図であり、図８は、図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における断面図である。

図７および図８を用いて、各磁束の流れについて、詳細に説明する。図７に示すように、回転電動機１０は、１２極３相１励磁モータとする。そして、ステータコア２２には、周方向にそって、Ｕ相のステータティース２３Ｕ１〜２３Ｕ４と、Ｖ相のステータティース２３Ｖ１〜２３Ｖ４と、Ｗ相のステータティース２３Ｗ１〜２３Ｗ４とが形成されている。図７に示すタイミングにおいては、Ｕ相が励磁しており、ステータティース２３Ｕ１、２３Ｕ３がＮ磁極に、ステータティース２３Ｕ２、Ｕ４がＳ磁極となっている。

このような場合において、リング磁石６０からの磁束ｍｆ６０の流れについて説明する。磁束ｍｆ６０は、まず、内側ロータコア４２ｂ内を軸方向に進行する。そして、内側ロータコア４２ｂのいずれかの位置で径方向に変位し、外側ロータコア４２ａ内に入り込む。ここで、内側ロータコア４２ｂは、圧粉磁心によって構成されているため、内側ロータコア４２ｂ内の磁気抵抗は小さく、磁束ｍｆ６０は良好に流通することができる。

そして、内側ロータコア４２ｂから外側ロータコア４２ａ内に入り込んだ磁束ｍｆ６０は、外側ロータコア４２ａ内を周方向および径方向に進み、ロータティース４５に達する。この際、外側ロータコア４２ａは、積層鋼板により構成されているため、軸方向の磁気抵抗よりも、径方向および周方向の磁気抵抗が小さくなっている。これにより、外側ロータコア４２ａ内に入り込んだ磁束が軸方向に発散するのを抑制することができる。

そして、エアギャップを介して、Ｓ磁極に励磁したステータティース２３Ｕ２、２３Ｕ４内に入り込む。

この際、ステータティース２３Ｕ２、２３Ｕ４は、各ロータティース４５に対して、ロータ７０の回転方向Ｐ前方側に位置している。このため、各ロータティース４５は、回転方向Ｐ前方側にひきつけられる。

そして、各ステータティース２３Ｕ２、２３Ｕ４内に入り込んだ磁束ｍｆ６０は、ステータコア２２内を径方向、周方向に変位し、界磁ヨーク２１内に達する。磁束ｍｆ６０は、界磁ヨーク２１内を周方向および軸方向に変位して、下側ロータ４４側に変位する。

図８において、磁束ｍｆ６０は、界磁ヨーク２１内を回転方向Ｐ前方に向けて進む。そして、磁束ｍｆ６０は、ステータコア２２内に入り込み、Ｎ磁極に励磁しているステータティース２３Ｕ１、２３Ｕ３から、エアギャップを介して、ロータティース４６内に入り込む。

ここで、ロータティース４６の中央部は、ステータティース２３Ｕ１、２３Ｕ３に対して回転方向後方側に位置しているため、ロータティース４６は、ステータティース２３Ｕ１、２３Ｕ３に引き寄せられ、回転方向Ｐに向けて回転する。

そして、磁束ｍｆ６０は、内側ロータコア４２ｄ内を軸方向に変位して、リング磁石６０のＳ磁極にもどる。

図７に示されるように、本実施の形態においては、上側ロータ４３の表面に設けられた磁石４４Ａは、回転シャフト４１を介して対向するように配置された磁石４４Ａ１と、磁石４４Ａ２とを備えている。

磁石４４Ａ１、４４Ａ２は、Ｎ極に励磁したステータティース２３Ｕ１、２３Ｕ３よりも回転方向Ｐの後方側に位置しており、磁石４４Ａ１、４４Ａ２の径方向外方側の表面は、Ｓ極とされているため、磁石４４Ａ１、４４Ａ２は、回転方向Ｐに向けて引っ張られる。このため、上側ロータ４３は、回転方向Ｐに向けて引っ張られる。

磁石４４Ａ１、４４Ａ２からの磁束ｍｆ４４Ａ１〜ｍｆ４４Ａ８のうち、まず、磁石４４Ａ１からの磁束ｍｆ４４Ａ１〜ｍｆ４４Ａ４について説明する。磁石４４Ａ１からの磁束ｍｆ４４Ａ１〜ｍｆ４４Ａ４は、回転方向Ｐ前方側に向けて進む磁束ｍｆ４４Ａ１、ｍｆ４４Ａ２と、回転方向Ｐ後方側に向けて進む磁束ｍｆ４４Ａ３、ｍｆ４４Ａ４とを含む。

そして、磁束ｍｆ４４Ａ１、ｍｆ４４Ａ２は、磁石４４Ａの径方向内方側の表面から、外側ロータコア４２ａ内に入り込み、外側ロータコア４２ａ内を回転方向Ｐ前方側に向けて進む。そして、ロータティース４５からエアギャップを介して、ステータティース２３Ｖ１内に入り込む。

そして、ステータティース２３Ｖ１から入り込んだ磁束ｍｆ４４Ａ１、ｍｆ４４Ａ２は、ステータコア２２内を回転方向Ｐ後方側に向けて進行する。その後、磁束ｍｆ４４Ａ１、ｍｆ４４Ａ２は、ステータティース２３Ｕ１、２３Ｗ４からエアギャップを介して、磁石４４Ａ１に戻る。

また、磁束ｍｆ４４Ａ３、ｍｆ４４Ａ４は、磁石４４Ａの径方向内方側の表面から、外側ロータコア４２ａ内に入り込み、外側ロータコア４２ａ内を回転方向Ｐ後方側に向けて進む。そして、ロータティース４５からエアギャップを介して、ステータティース２３Ｕ４内に入り込む。

そして、ステータコア２２内を回転方向Ｐ前方側に向けて進行する。その後、磁束ｍｆ４４Ａ３、ｍｆ４４Ａ４は、ステータティース２３Ｗ４、２３Ｖ４からエアギャップを介して、磁石４４Ａに戻る。

磁石４４Ａ２からの磁束ｍｆ４４Ａ５〜ｍｆ４４Ａ８も、上記磁石４４Ａ１からの磁束と同様に流れる。

ここで、リング磁石６０からの磁束ｍｆ６０が外側ロータコア４２ａ内を流通することができる領域は、磁石４４Ａ１の磁束ｍｆ４４Ａ１〜ｍｆ４４Ａ４および磁石４４Ａ２からの磁束ｍｆ４４Ａ５〜ｍｆ４４Ａ８によって、各ロータティース４５内に規定される。

これにより、リング磁石６０からの磁束ｍｆ６０がロータティース４５以外の領域からステータコア２２に向かうことを抑制することができ、所謂漏れ磁束の低減を図ることができ、上側ロータ４３に加えられる回転力の向上を図ることができる。

ここで、図８に示されるように、本実施の形態においては、下側ロータ４４の表面に設けられた磁石４４Ｂは、回転シャフト４１を介して対向するように配置された磁石４４Ｂ１と、磁石４４Ｂ２とを備えている。

磁石４４Ｂ１、４４Ｂ２の中央部は、Ｓ極に励磁しステータティース２３Ｕ２、２３Ｕ４よりも回転方向Ｐ後方側に位置しており、磁石４４Ｂ１、４４Ｂ２の径方向外方側の表面は、Ｎ極とされているため、磁石４４Ｂ１、４４Ｂ２は、回転方向Ｐに向けて引っ張られる。このため、下側ローア４３は、回転方向Ｐの前方側に向けて引っ張られる。

ここで、磁石４４Ｂ１からの磁束ｍｆ４４Ｂ１〜ｍｆ４４Ｂ４について説明する。磁石４４Ｂ１からの磁束ｍｆ４４Ｂ１〜ｍｆ４４Ｂ４は、回転方向Ｐ前方側に向かう磁束ｍｆ４４Ｂ１、ｍｆ４４Ｂ２と、回転方向Ｐ後方側に向かう磁束ｍｆ４４Ｂ３、ｍｆ４４Ｂ４とを有している。

そして、磁束ｍｆ４４Ｂ１、ｍｆ４４Ｂ２は、エアギャップを介して、ステータティース２３Ｗ１、２３Ｕ２内に入り込む。そして、ステータコア２２内を回転方向Ｐ前方側に向けて進む。その後、たとえば、ステータティース２３Ｖ２からエアギャップを介して、ロータティース４６内に入り込む。そして、外側ロータコア４２ｃ内を回転方向Ｐの後方側に向けて進み、磁石４４Ｂに戻る。

その一方で、磁束ｍｆ４４Ｂ３、ｍｆ４４Ｂ４は、エアギャップを介して、ステータティース２３Ｗ１、２３Ｖ１内に入り込む。そして、外側ステータコア４２ｃ内を回転方向Ｐ後方側に向けて進む。その後、たとえば、ステータティース２３Ｕ１からエアギャップを介して、ロータティース４６内に入り込む。そして、外側ロータコア４２ｃ内を回転方向Ｐ前方側に向けて進み、磁石４４Ｂ１に戻る。

また、同様に、磁石４４Ｂ２からの磁束ｍｆ４４Ｂ５〜ｍｆ４４Ｂ８も流れる。
ここで、リング磁石６０からの磁束ｍｆ６０が、ステータコア２２から外側ロータコア４２ｃ内に入り込むことができる領域は、磁石４４Ｂ１の磁束ｍｆ４４Ｂ１〜ｍｆ４４Ｂ４および磁石４４Ｂ２の磁束ｍｆ４４Ｂ５〜ｍｆ４４Ｂ８によって、ロータティース４６およびステータコア２２のうち、ロータティース４６と対向する領域に制限されている。

これにより、所謂漏れ磁束の低減を図ることができ、下側ロータコア４４に加えられる回転力の向上を図ることができる。

図９から図１１を用いて、本実施の形態に係る回転電動機１０の強め界磁制御について説明する。図９は、強め界磁制御を行ったときの側断面図である。この図９に示されるように、界磁コイル５０Ａによって生じる磁束ｍｆ５０Ａが、界磁ヨーク２１の突出部５１から内側ロータコア４２ｂに入り、その後、外側ロータコア４２ａから、エアギャップＧＰおよびステータコア２２を介して界磁ヨーク２１に達するような界磁回路を形成するように、界磁コイル５０Ａに電流を供給する。

また、界磁コイル５０Ｂによって生じる磁束ｍｆ５０Ｂが、界磁ヨーク５０の周壁部からステータコア２２内に入り込み、そして、エアギャップを介してロータコア７２内に入り込み、内側ロータコア４２ｃの軸方向端部から界磁ヨーク２１の突出部５１に入り込むような磁気回路を通るように、界磁コイル５０Ｂに電流を供給する。なお、突出部５１は、内側ロータコア４２ｂ、４２ｄに対して、磁束ｍｆ５０Ａ，ｍｆ５０Ｂを内側ローアコア４２ｂ、４２ｄに供給可能な程度近接している
図１０は、図９のＸ−Ｘ線における断面図であり、図１１は、図９のＸＩ−ＸＩ線における断面図である。

図１０および図９において、内側ロータコア４２ｂ、４２ｄは、圧粉磁心から構成され磁気抵抗が低減されているため、磁束ｍｆ５０Ａ、ｍｆ５０Ｂは、内側ロータコア４２ｂ、４２ｄの径方向、軸方向、周方向のいずれの方向にも良好に流れることができる。

そして、内側ロータコア４２ｂ内に入り込んだ磁束ｍｆ５０Ａは、外側ロータコア４２ａ内に入り、ロータティース４５に達する。その後、ロータティース４５からエアギャップを介して、ステータティース２３Ｕ２、２３Ｕ４に達する。

すなわち、磁束ｍｆ５０Ａは、リング磁石６０からの磁束ｍｆ６０と同様に、ロータティース４５からステータティース２３Ｕ２、２３Ｕ４に達するため、磁束ｍｆ６０と協働して、下側ロータ４４を回転方向Ｐに向けて加速させる。

このため、ロータ７０の回転数が低回転のときにおいて、ロータ７０に大きなトルクを生じさせることができる。なお、図９に示されるように、ステータコア７１に達した磁束ｍｆ５０Ａは、界磁ヨーク２１内に入り込み、再度突出部５１に達する。

そして、図１１および図９に示されるように、下側ロータ４４側では、磁束ｍｆ５０Ｂが、界磁ヨーク２１からステータコア２２内に入り込み、ステータティース２３Ｕ１、２３Ｕ３からエアギャップを介して、ロータティース４６内に入り込む。

すなわち、この磁束ｍｆ５０Ｂも、リング磁石６０の磁束ｍｆ６０と同様の経路を通り、下側ロータ４４を回転方向Ｐに向けて加速させる。そして、ロータティース４６内に入り込んだ磁束ｍｆ５０Ｂは、その後、内側ロータコア４２ｄ内に入り込み、内側ロータコア４２ｄ内を軸方向に変位して、突出部５１から界磁ヨーク２１内に戻る。

図１２から図１４を用いて、本実施の形態に係る回転電動機１０の弱め界磁制御について説明する。

図１２は、弱め界磁制御を行った際の回転電動機１０の側断面図である。図１３は、図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線における断面図であり、図１４は、図１２のＸＩＶ−ＸＩＶ線における断面図である。図１２に示されるように、界磁コイル５０Ａ，５０Ｂによって生じる磁束ｍｆ５０Ｃが、上側ロータ４３側の突出部５１、上側ロータ４３側の界磁ヨーク２１の天板部、界磁ヨーク２１の周壁部、下側ロータ４４側の界磁ヨーク２１の天板部、突出部５１、内側ロータコア４２ｄ、リング磁石６０、内側ロータコア４２ａ、上側ロータ４３側の突出部５１を順次通る磁気回路を経由するように界磁コイル５０Ａ，５０Ｂに電流を供給する。

このように、磁束ｍｆ５０Ｃが流通すると、リング磁石６０からの磁束ｍｆ６０の少なくとも一部が、磁束ｍｆ５０Ｃの磁気回路に入り込む。

このため、ロータ７０とステータ３０との間を流れるリング磁石６０の磁束ｍｆ６０の磁束量が低減される。

具体的には、リング磁石６０のＮ磁極から内側ロータコア４２ｂ内に入り込んだ磁束ｍｆ６０の一部が、内側ロータコア４２ｂを軸方向に進み、突出部５１から界磁ヨーク２１内に入り込む。そして、界磁ヨーク２１の上側ロータ４３側の天板部から界磁ヨーク２１の周壁部内に入り込み、その後、下側ロータ４４側の天板部に達し、突出部５１から内側ロータコア４２ｄ内に入り込む。そして、内側ロータコア４２ｄを軸方向に進み、リング磁石６０のＳ磁極に入り込む。たとえば、図１３に示す例においては、上側ロータ４３においては、リング磁石６０からの磁束ｍｆ６０は、内側ロータコア４２ｂ内を軸方向に進み、図１４に示す例においては、下側ロータ４４においても、リング磁石６０からの磁束ｍｆ６０は、内側ロータコア４２ｂ内を軸方向に進む。

このように、リング磁石６０から生じた磁束ｍｆ６０の一部の磁束が、ロータティースとステータティースとの間を経由せずに再度リング磁石６０に戻り、ロータティースとステータティースとの間を通る磁束量が低減される。

このように、ロータティースとステータティースとの間を跨って流れる磁束量が低減されると、結果、図２などに示す電機子巻線２４を通る磁束の変化量が低減される。このように、電機子巻線２４を通る磁束の変化量が低減されると、電機子巻線２４に生じる電機子反作用を低減することができる。

このため、ロータ７０の回転数が高回転となって、電機子反作用によって電機子巻線２４に生じる電圧と、たとえば、ハイブリット自動車や電気自動車等のバッテリーからインバータ等を介して、回転電動機１０に供給される電圧とが近似した際に、電機子反作用によって生じる電機子巻線２４の電圧を低減することができる。これにより、電機子反作用によって電機子巻線内に生じる電圧を低減することができ、この電圧によりロータに加えられる回転方向Ｐと反対方向の力を低減することができる。

そして、さらに電機子巻線２４に電流を供給することができ、さらに、ロータ７０の回転数を向上させることができる。

なお、本実施の形態においては、リング磁石６０の端面の磁極と、該端面と接触するロータ７１、７２に設けられて磁石４４Ａ，４４Ｂの外表面側の磁極とを異ならせている。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。さらに、上記数値などは、例示であり、上記数値および範囲にかぎられない。

本発明は、回転電動機に好適である。

本実施の形態に係る回転電動機の側断面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。ロータの斜視図である。図１のＶ−Ｖ線における断面図である。本実施の形態について、所謂「強め界磁制御」、「弱め界磁制御」のいずれも行わないときにおける回転電動機の側断面図である。図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線における断面図である。図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における断面図である。強め界磁制御を行ったときの回転電動機の側断面図である。図９のＸ−Ｘ線における断面図である。図９のＸＩ−ＸＩ線における断面図である。弱め界磁制御を行った際の回転電動機の側断面図である。図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線における断面図である。図１２のＸＩＶ−ＸＩＶ線における断面図である。

符号の説明

１０回転電動機、２１界磁ヨーク、２２ステータコア、２３ステータティース、２４電機子巻線、３０ステータ、４１回転シャフト、４３ロータ、４５，４６ロータティース、５０Ａ，５０Ｂ界磁コイル。

Claims

筒状に形成されたステータコアと、
前記ステータコア内に配置され、回転可能に設けられた回転シャフトと、
前記ステータコアの外周に前記ステータコアの軸方向の一端から他端にわたって設けられ、前記ステータコアの軸方向に磁束を流すことが可能な界磁ヨークと、
前記回転シャフトに固設された第１ロータコアと、
前記第１ロータコアに対して前記回転シャフトの軸方向に間隔を隔てて設けられ、前記回転シャフトに固設された第２ロータコアと、
前記第１ロータコアと前記第２ロータコアとの間に位置する前記回転シャフトに固設され、一対の磁極が、前記回転シャフトの軸方向に並べられた第１磁石と、
前記第１ロータコアの外表面に形成され、径方向外方に向けて突出する第１ロータティースと、
前記第１ロータティースに対して前記第１ロータコアの周方向に隣り合う位置に設けられた第２磁石と、
前記第１ロータティースに対して前記第２ロータコアの周方向にずれるように、前記第２ロータコアの外表面に形成され、径方向外方に向けて突出する第２ロータティースと、
前記第２ロータティースに対して前記第２ロータコアの周方向に隣り合う位置に設けられた第３磁石と、
第１磁気回路と第２磁気回路とを選択的に形成することで、前記第１ロータコアと前記第２ロータコアとの少なくとも一方と前記ステータコアとの間の磁束密度を制御可能な第１および第２巻線と、
を備え、
前記第１磁気回路は、前記第１ロータコア内を前記軸方向に進み、前記界磁ヨークに達し、該界磁ヨーク内を通り、前記第２ロータコアの端部から該第２ロータコアを前記軸方向に進む磁気回路とされ、前記第２磁気回路は、前記第１ロータティースからエアギャップを通り前記ステータコアに達する磁気回路、および前記ステータコアからエアギャップを通り前記第２ロータティースに達する界磁回路の少なくとも一方を含む磁気回路とされた、回転電動機。
前記第２磁石の外周面の極性を、前記第３磁石の外表面の極性と異ならせて配置した、請求項１に記載の回転電動機。
前記第２磁石は、前記第１ロータコアの軸方向の一端部から他端部に亘って延在し、前記第３磁石は、前記第２ロータコアの軸方向の一端部から他端部に亘って延在する、請求項１または請求項２に記載の回転電動機。
前記第１ロータコアは、筒状の第１外側ロータコアと、該第１外側ロータコアの内周に設けられ、軸方向の磁気抵抗が前記第１外側ロータコアの軸方向の磁気抵抗より小さい第１内側ロータコアとを有し、
前記第２ロータコアは、筒状の第２外側ロータコアと、該第２外側ロータコアの内周に設けられ、軸方向の磁気抵抗が前記第２外側ロータコアの軸方向の磁気抵抗より小さい第２内側ロータコアとを有する、請求項１から請求項３のいずれかに記載の回転電動機。
前記第１内側ロータコアおよび前記第２内側ロータコアは、各々の前記ロータコアの軸方向に一体の磁性材料を含み、前記第１外側ロータコアおよび前記第２外側ロータコアは、各々の前記ロータコアの軸方向に複数の磁性鋼板を積層して形成された、請求項４に記載の回転電動機。